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                                 停车场系统发展物联网工程专业课程体系与实践探讨  上海誉澄智能

  
  摘要
从物联网概念和物联网由来出发就物联网工程专业物联网课程体系和物联网实践3方面介绍国内现阶段的情况和大家一起探讨物联网工程专业是复合型专业很难有统一的课程体系所以特别针对计算机学院开设的物联网专业课程进行探讨在实践中总结出固化协议栈适合于实际应用开源协议栈更适合于教学物联网专业应以微控制器为主采用厂家提供的ZigBee?#25945;?#36827;行实践教学

引言

物联网(Internet of ThingsIOT) 是指通过射频识别(RFID)传感器全球定位系统激光扫描器等信息传感设备按约定的协议把任何物体与互联网连接起来进行信息交换和通信以实现智能化识别定位跟踪监控和管理的一种网络物联网概念的引入把互联网的应用?#30001;?#21644;扩展到了任何物体与物体之间进行信息交换和通信物联网是继计算机互联网与移动通信网络之后的又一次信息产业革命

物联网概念是1999年由麻省理工学院自动标识?#34892;?MIT AutoID Center)提出的2005年国?#23454;?#20449;联盟(ITU) 发布了一份题为The Internet of Things的年度报告正式将物联网命名为the Internet of Things?#34180;?009年8月温家宝总理考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发?#34892;模?#26126;确要求尽快建立中国的传感信息?#34892;模?#20063;就是感知中国?#34892;ġ收?#20174;微控制器应用到ARM&Linux嵌入式系统又回归到微控制器的研究教学亲历近30年国内嵌入式应用的发展历程下面就物联网工程专业物联网课程体系和物联网实践3方面介绍国内现阶段的情况望和大家一起探讨

1物联网工程专业

在教育部首批战略性新兴产业相关本科新专业中物联网相关专业就有700多所学校申报最终28家IOT5家WSN获批共33所高校其中70%设在计算机学院在2011年3月28日又批了第二批27所高校的物联网专业这样全国现共有62所高校开设物联网专业

物联网工程是交叉学科?#23884;?#20010;学科的融合,即计算机科学与技术信息与通信工程微电子学科检测与自动化和仪器科学与技术物联网工程是复合专业涉及控制理论与控制工程微电子检测通信工程和计算机与信息专业对应物联网的控制感知传输和信息处理技术

物联网网络架构由感知层网络层应用层组成计算机学院在物联网技术的网络层和应用层领域具有很好的研究基础而感知层更多依赖的是软硬件结?#31995;?#23884;入式系统技术物联网的传感器接口RFID读写都涉及嵌入式技术但实际上新技术含量很少可看作是一个新袋子

物联网主要涵盖RFID>5.5无线传感器网络(>8.5)M2M智能手机(<4.5)等技术领域其中括号里表达的是?#35759;?#31995;数可以看出无线传感器网络是最难的

2物联网课程体系

2.1课程体系考虑因素

物联网工程专业主要在计算机学?#28023;?#20294;物联网工程专业只是本科专业要考虑学生的毕业出口问题现大部分本科生都选择考研而计算机专业属于全国统考其专业基础综合?#38469;院?#30422;数据结构计算机组成原理操作系统和计算机网络等学科专业基础课程这些课程中的数据结构离不开C语言程序设计计算机组成原理又有计算机体系结构的内容实际涉及6门课这6门课动了就会影响学生考研综合考虑最好还是在原来计算机专业课的基础上进行增加和替换而不完全是要做出一个新的课程体系

已出版的物联网工程书籍有的涵盖深奥的算法或涉及多个专业的内容硕士和博士研究生都未必能看懂教学的目的应是授之以渔而不是授之以鱼广而全反而会把初学的学生吓跑关键是培养学生兴趣从应用?#23884;?#20986;发实际上很多硬件都是以模块形式出现如RF读卡器模块和传感器模块不用了解里面的工作原理就能做应用设计物联网工程专业是我国现阶段的国家需要为国家培养后备人才嵌入式系统推广这么多年教育部也没?#20449;?#20026;专业实际上物联网的难点还是在嵌入式系统方面而嵌入式方向要以实践为主不会动手怎么能应付软硬件结?#31995;?#23884;入式系统应用?

大学里重要的是教会学习的方法在各专业的主干课程基础上在物联网方面有所加强即可

2.2计算机学院物联网专业课程

物联网专业核心课程按软件和硬件分为硬件方面的电子电路基础物联网硬件基础计算机网络和无线传感网软件方面的程序设计基础操作系统系统编程数据库和数据挖掘

下面的课程是?#25910;?#25152;在学院一个对嵌入式方向感兴趣的学生所学课程的基础上加了几门物联网专业必需的课用黑体加重给出要加其他的课就需要替换现有的课一个学生要求的学分是固定的学太多课没有太多的意义关键是引导他们进行工程实践这个学生毕设采用32位微控制器完成了传感器数据采集无线传感网协议栈的移植将采集数据通过串口和USB口传送给微机由此看来该学生所学的知识可以应对物联网应用项目开发

专业基础课物联网技术导论计算机科学导论程序设计基础C语言离散数学数字电子技术基础电路分析基础模拟电子技术基础数值分析

专业必修课无线传感器网络数据结构与算法设计面向对象程序设计计算理论与算法分析设计数据库原理与设计计算机组成原理汇编语言程序设计操作系统编译原理与设计软件工程基础计算机体系结构计算机网络微机接口技术信号与系统自动控制原理

专业选修课微控制器接口技术计算机图形学人工智能基础嵌入式系统多媒体技术网络信息安全软件体系结构分布式计算原理与应用Web软件技术硬件描述语言与计算机硬件模块设计

专业实践课数字电子技术实验模拟电子技术实验操作系统课程设计程序设计方法与实践Web开发基础软件基础实习数据库系统开发汇编与接口课程设计计算机组成原理硬件实验软件工程综合训练Visual C++数据通信编程实践

学院的老师还打算开设微电子与传感器技术无线自组网理论及应用无线网络技术及应用普适计算服务计算与云计算异构网络互联技术传感器网数据融合技术物联网信息处理技术和海量信息处理

2.3专业及特色课程

按物联网层次

感知层射频识别技术传感器技术基础嵌入式系统接口技术最好在电路分析基础模拟电子技术基础数字电子技术基础等课程基础上开设

网络层计算机网络无线传感器网络通信原理

其他基本上是应用层的课可多可少看学校偏重哪方面应用专业入门课物联网技术导论是必需的而想开设物联网技术与应用或物联网原理与应用这样广而全的课在有限的学时内是不太现实的

其他学校学院不同于计算机学院的专业课及特色课有?#22909;?#30721;学基础信号处理基础图像处理技术射频识别技术传感器技术基础Linux操作系统编程Android操作系统编程无线传感网与自组织网络电子商务数据挖掘移动通信传感器与检测技术Web系统开发与集成下一代互联网模式识别网络管理物流管理概论智能交通概论和环境工程概论

3物联网实践

3.1实验设备

物联网实践可以采用实验套件开发板等对于电子爱好者很实用但是对高校来说还是实验箱比较实用便于管理和保存?#25910;?#26366;跟实验箱设计公司探讨实验箱的核心板插电可以独立工作这样学生入门时可以拿回去自己学习做部分内容而实验箱主板?#31995;?#20016;富外设是为了完成综合实验和系统实验的需要实验验收时再到实验室来

物联网实验箱中主要的还是无线传感器网络部分实际有微控制器就够了现在的微控制器集成网口和USB口的很多采集的数据很容易就传送给微机而现在有的实验箱厂商就是?#35328;?#26469;的嵌入式系统实验箱加上无线传感网络部分号称带嵌入式操作系统的微处理器板子是网关无形中增加了实验箱的价格涉及多种体系结构的处理器带操作系统也增加了教学的?#35759;取?/P>

无线传感网络部?#31181;?#35201;涉及网络协议栈然而工程实际应用的技术并不一定适用于教学有的网络协议栈完全固化在无线传感网络模块中甚至都不知道模块用的是何?#20013;?#29255;若学校侧重工程应用可以选择固化协议栈教学方案要做无线传感网络教学又是研究型大学当然希望网络协议栈开放源码下面介绍固化和开源两类常用协议栈

3.2固化协议栈

(1) XBee系列

美国DIGI公司的ZigBee模块XBee是一种远距离低功耗的数据?#22797;?#27169;块包含2.4 GHz900 MHz和868 MHz 3?#21046;?#27573;同时可兼容IEEE 802.15.4相关协议每个模块都可以作为路由节点协调器以及终端节点可组建无线mesh网络XBee模块是内置协议栈包含AP和ATI两种配置命令可通过XCTU以及ZigBee Operator这两款软件进行调试模块可以通过普通串口UART与其他设备进行连接通过控制命令来进行控制

(2) Jennic系列

JN5121无线模块是英国Jennic公司(现被NXP公司?#23637;?的第一款ZigBee模块后续包括JN5139JN5148等JN5121也是第一款真正意义上兼容于IEEE 802.15.4的低功耗?#32479;?#26412;无线模块该模块内置一款32位的RISC处理器配置有2.4 GHz频段的IEEE 802.15.4标准的无线收发器64 KB的ROM96 KB的RAM21路GPIOJN5121内置的ROM存储器集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈

(3) SNAP系列

SNAP网络是由CEL公司与Synapse Wireless公司合作开发的面向无线传感网应用的无线mesh协议SNAP为复杂的ZigBee网络提供一个简单可靠智能的完整组网方案同时因为使用对等网络?#22791;?#24565;功耗优化明显冗余性能优异SNAP具有很多特点包括无组网过程无需预先构架网络拓扑对等网络布网简单内置 Python虚拟机编程?#36234;?#26412;方式编程空中升级以及可在运行时调用所有功能?#21462;?/P>

(4) Ember系列

Ember公司创立于2001年其开发技术源自麻省理工学院Ember公司在无线传感网领域推出的具有代表性的EM250是单片解决方案它集成了2.4 GHz兼容IEEE 802.15.4的收发器以及一个16位XAP2b微处理器同时还集成包括闪存和SRAM存储器与基于ZigBee应用的外设EmberNet栈在系统模式下运行时可以连通到芯片的?#25105;?#21306;域在应用模式下应用代码连通到EM250设备的通路则相对受限

(5) STM32W系列

意法半导体ST公司于2009年底推出的STM32W系列无线传感网射?#23548;?#25104;单片机采用32位ARM CortexM3内核片上整合2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器和低功耗MACAES128硬件?#29992;?#24341;擎STM32W108内置128 KB Flash和8 KB SRAM具有高性能低功耗的特点STM32W108CBU61芯片固化了由Ember公司提供的经过ZigBee Alliance?#29616;?#30340;ZigBee2007 Pro协议栈具有优异的性能和良好的兼容性可以和其他经过ZigBee Alliance?#29616;?#30340;第三方产品互联互通

3.3开源协议栈

(1) XBOW及TinyOS

Crossbow(简称XBOW现被新美半导体?#23637;?技术来源于UC Berkeley相关团队而后者是无线传感器网络领域的开拓者和引领者共同推出的TinyOS是传感网领域研究者使用最多的?#25945;?#20854;硬件节点包括 MICAMICA2MICAZ等也是国际上最流行的硬件?#25945;?#26159;研究者和学习者理想的实验环?#22330;MICAz产品能够工作在全球2.4 GHz ISM波段上且支持IEEE 802.15.4微型无线测量系统和 ZigBee协议标准可以直接使用XBOW提供的成熟xmesh协议栈搭建自己的传感器网络它可以说是做得最正统的传感器网络基于TinyOS nesC开发

(2) ZStack协议栈

ZStack协议栈是由Chipcon公司后被TI公司?#23637;海?#24320;发的较全面支持ZigBee协议的开源协议栈也是业界广泛使用的离产品化较近的协议栈ZStack协议栈支持的芯片包括TI公司的8位MCU CC2530/CC243016位MCU MSP43032位MCU LM3S9B96Atmel公司的AVR系列MCUMicrochip公司的PIC系列MCU以及Freescale公司的MC1319x?#21462;?/P>

TI公司最新提供的32位微控制器LM3S9B96+CC2520做协调器节点配8位8051核CC2530传感器采集节点的无线传感器网络套件是较理想的教学?#25945;LM3S9B96片内有串口网口USB口与主机通信也可用USB虚拟串口实现根本不需要什么嵌入式网关

我们与TI公司成立了?#26412;?#29702;工大学美国德州仪器物联网技术联合实验室?#20445;TI公司提供了原厂32位MCU和8位MCU评估套件我们期待国内公司能够生产出这种方案的实验箱8051内核的CC2530 到ARM CortexM3内核的LM3S9B96都是MCU这样的实验方案学生更容易接受跨度不大TI原厂方案已评估用在物联网竞赛上设计了智能泊车引导系统?#34180;?#22312;?#31350;?#21457;表论文LM3S9B96与CC2520?#25945;系ZigBee无线组网技术及应用?#34180;?/P>

另外我们还得到TI公司大学计划支持为推广TI公司32位微控制器编写了ARM Cortex核TI微控制器教程一书其中物联网数据采集与传输这一章专门针对物联网技术涉及的温湿?#21462;?#20809;照?#21462;?#21152;速度传感器和RFID给出采集程序还包括ZigBee点对点通信和32位网络协调器节点设计内容

ZStack协议栈上层网络部分源码开放但和硬件相关的关键部分是封装好的未开放没有厂?#19994;?#25903;持是没办法移植协议栈的?#25910;?#30340;研究生曾开题设计32位微控制器的协调器节点在移植协议栈时碰到了无法解决的问题后转到完全开源的MsstatePAN

(3) MsstatePAN协议栈

源代码完全开放的MsstatePAN协议栈是由密西西比州立大学的Robert Reese教授在参考Microchip ZigBee Stack的基础上自己编写的该协议栈支持硬件?#25945;CC2430PIC18C4620+CC2420和MSP430+CC2420国内一些研究机构也在此精简协议栈上进行扩充实现了一些其原本不具备的功能

我们利用TI公司?#23637;?#30340;LM3S系列微控制器设计ZigBee硬件节点实现了该?#25945;?#33410;点间的点对点通信掌握了LM3S系列微控制器对射?#30340;?#22359; CC2420的操作在?#31350;?#21457;表论文LM3S1138与CC2420的无线传感器网络通信?#34180;?#26368;终我们成功将MsstatePAN协议栈移植到了 LM3S系列微控制器结合CC2420无线模块的硬件?#25945;?#19978;与TI公司第三方合作设计了物联网教学实验?#25945;?/P>

物联网教学实验?#25945;?#20027;要由LM3S811LM3S9B96和CC2420无线传输模块构成支持LM3S811与LM3S9B96的硬件实验及 ZigBee组网实验该?#25945;?#36824;可与CC2430终端节点一起组网ZigBee组网实验部分根据需要可配置成?#20146;?#25110;树状网通信同时为直观获知当前的组网状况针对此实验?#25945;?#19987;门编写相应的PC机监控软件能实时动态监控网络组网状态及数据该ZigBee网络?#25945;?#21487;实现温湿?#21462;?#28287;敏电阻可?#35745;?#20307;浓?#21462;?#28895;雾浓?#21462;?#20108;氧化碳浓?#21462;?#20809;照?#21462;?#28909;释电人体红外测温红外线防盗信号加速?#21462;?#27687;气浓度等一系列传感器的数据采集及无线传输

(4) GOS协议栈

GOS是中国科学?#21644;?#20986;的基于C语言的无线传感网低功耗协议栈目?#26696;教?#30001;深联科技进行维护其突出特点是完全使用C语言开发简单高效具有很好的健壮性适合于很多工控及其他行业领域应用目前GOS主要支持的硬件包括ATmega128MSP430+CC1000或CC2420或者其他支持相关指令集的处理器以及具有一定开放接口的射频芯片

(5) ZigBee 精简协议栈

美国密西西比州立大学的Robert Reese 教授出于教学科?#24515;?#30340;开发出一套精简版(subset) ZigBee 协议栈该精简协议栈实现了ZigBee协议的主要功能国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充, 实现了一些其原本不具备的功能

3.4RFID读卡器

在嵌入式系统联谊会交流过程中知晓一种RFID读卡器模块可读校园一卡通和身份证的ID码当然余额和身份证信息是不?#24066;?#35835;的但仅根据每个卡的唯一ID码也可以设计很多应用我们设计了基于校园一卡通的考勤管理系统?#20445;植?#23398;生考勤管理的?#27605;n?#19968;卡通作为学生在校身份证明及日常消费卡每个学生都有不用再买其他卡可用其设计很好的物联网教学案例

结语

本文是?#25910;?#36817;一年多来学习物联网参加各种会议的总结由于个人的知识面有限考虑问题可能片面望和国内业界同?#20351;?#21516;探讨国内的物联网教学为物联网应用推广尽自己的微薄之力物联网工程专业不是以理论为主导重点是在工程应用教学应该由应用来驱动时刻做好准备不?#31995;?#25972;教学内容因很难有适合所有学校的通用课程体系课程设置及内容应重在特色

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